產(chǎn)品設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字化方法的研究與實(shí)踐

王佩章，蔣亞平，徐　萍（中國北方車輛研究所，北京　100072）

產(chǎn)品設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字化方法的研究與實(shí)踐

王佩章，蔣亞平，徐萍
（中國北方車輛研究所，北京100072）

論文討論了數(shù)字化協(xié)同研制環(huán)境下產(chǎn)品設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的變革內(nèi)涵，提出了新型標(biāo)準(zhǔn)化工作的應(yīng)變措施，探索了貫徹執(zhí)行設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的新方法；通過某軍工型號(hào)產(chǎn)品研制的實(shí)際工作分析、總結(jié)，說明了設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字化創(chuàng)新管理的必要性、可行性及重要意義。

產(chǎn)品設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)；自頂向下設(shè)計(jì)；PDM系統(tǒng)；并行協(xié)同

0　引言

國外對(duì)汽車、電子、武器系統(tǒng)等產(chǎn)品開發(fā)成本與周期進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，設(shè)計(jì)階段的成本雖然僅占產(chǎn)品開發(fā)總成本的7%以下，卻決定了產(chǎn)品開發(fā)成本的83%以上，而且設(shè)計(jì)階段對(duì)后續(xù)環(huán)節(jié)的影響是以指數(shù)形式遞增。中國北方車輛研究所是我國特種車輛總體設(shè)計(jì)所，最近幾年來正積極開展現(xiàn)代研發(fā)體系建設(shè)，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，通過參數(shù)化設(shè)計(jì)、虛擬樣機(jī)、半實(shí)物或數(shù)字仿真技術(shù)應(yīng)用提高設(shè)計(jì)成功率，降低研制風(fēng)險(xiǎn)，保證優(yōu)化的思想在設(shè)計(jì)階段得到較好貫徹，縮短研制周期。

數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范體系是指導(dǎo)產(chǎn)品的數(shù)字化設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、制造、管理全過程。隨著數(shù)字化協(xié)同研制模式在坦克裝甲車輛領(lǐng)域逐步全面推廣應(yīng)用，現(xiàn)有的傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化體系已不能滿足實(shí)際應(yīng)用要求。研究所在設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)方面迫切需要解決的關(guān)鍵問題有：①新的設(shè)計(jì)模式帶來了設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的哪些變革；②如何切實(shí)有效地保證設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的貫徹執(zhí)行。

研究所擬創(chuàng)建以 “滿足型號(hào)研制需求”為導(dǎo)向，以“數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)制造”為核心的數(shù)字化研制標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范體系，指導(dǎo)數(shù)字化應(yīng)用系統(tǒng)的建設(shè)與應(yīng)用、規(guī)范產(chǎn)品協(xié)同研制過程中的流程與管理。

1　產(chǎn)品設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的變革內(nèi)涵

數(shù)字化協(xié)同研制模式要求的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法具有兩大特征：一是基于三維模型的自頂向下設(shè)計(jì)；二是能夠支持設(shè)計(jì)與設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)與仿真的并行協(xié)同。

特種車輛自頂向下設(shè)計(jì)方法：首先，總體組在PDM系統(tǒng)中建立整車產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹，發(fā)布總體頂層骨架模型、整車空裝配模型，總體頂層骨架模型作為系統(tǒng)及部件設(shè)計(jì)的幾何約束；第二，系統(tǒng)及部件設(shè)計(jì)負(fù)責(zé)人下載總體頂層骨架模型，以復(fù)制幾何方式得到總體給出的幾何約束，建立系統(tǒng)及部件骨架模型與空裝配模型，檢入PDM系統(tǒng)；第三，系統(tǒng)及部件的下一層設(shè)計(jì)人員依照第二步方法完成組別級(jí)骨架模型與空裝配模型設(shè)計(jì)，檢入PDM系統(tǒng)，根據(jù)具體設(shè)計(jì)資源分配、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)劃分決定是否進(jìn)一步分解設(shè)計(jì)；第四，各設(shè)計(jì)人員展開零部件三維模型與二維圖形相關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)，檢入PDM系統(tǒng)。當(dāng)部件的裝配模型進(jìn)一步細(xì)化、充實(shí)時(shí)，整車空裝配模型會(huì)自動(dòng)更新，這就是自底向上裝配過程。最后，在PDM系統(tǒng)中構(gòu)成完整的、可自動(dòng)裝配的產(chǎn)品數(shù)字樣機(jī)，并能生成設(shè)計(jì)BOM。

并行協(xié)同設(shè)計(jì)模式：基于產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（PDM）系統(tǒng)進(jìn)行產(chǎn)品單一數(shù)據(jù)源管理，設(shè)計(jì)與分析人員具有PDM系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的用戶權(quán)限，共享工程設(shè)計(jì)及仿真設(shè)計(jì)階段的輸入與輸出數(shù)據(jù)，并行工作?；谶@種模式，總體與部件設(shè)計(jì)人員及時(shí)協(xié)調(diào)修改方案；設(shè)計(jì)人員根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的成熟度，提前進(jìn)行關(guān)聯(lián)部件的裝配檢查、零件工藝設(shè)計(jì)等工作；分析人員提前進(jìn)行仿真對(duì)象的模型設(shè)計(jì)、虛擬試驗(yàn)。

數(shù)字化協(xié)同研制模式引發(fā)了產(chǎn)品數(shù)據(jù)內(nèi)容與表達(dá)形式發(fā)生變化的同時(shí)，也促發(fā)了研制業(yè)務(wù)流程的變革。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法主要基于二維圖紙的串行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)圖紙與技術(shù)文件的標(biāo)準(zhǔn)化審查依靠人工紙質(zhì)完成。數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)方法則是基于三維模型的并行協(xié)同，技術(shù)文件、產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖樣（包括骨架模型、裝配模型、二三維圖樣、EBOM等）均在PDM系統(tǒng)中完成電子協(xié)同審簽。

產(chǎn)品設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)因設(shè)計(jì)模式而變的要求體現(xiàn)在三個(gè)方面：①自頂向下設(shè)計(jì)產(chǎn)生了骨架模型、裝配模型、三維圖樣、EBOM等新型產(chǎn)品數(shù)據(jù)，相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化要求增加了新的內(nèi)容；②現(xiàn)行的某些質(zhì)量體系文件定義的技術(shù)文件表達(dá)形式不滿足電子協(xié)同審簽的要求，例如：《制造驗(yàn)收規(guī)范》的審簽頁規(guī)定為正文首頁，是動(dòng)態(tài)變化難以通過軟件開發(fā)實(shí)現(xiàn)或得不償失；③數(shù)字化協(xié)同模式不僅需要規(guī)范產(chǎn)品數(shù)據(jù)產(chǎn)生的軟件型號(hào)與版本、定義產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換共享的條件，而且需要重新定義數(shù)字化協(xié)同流程。

2　數(shù)字化協(xié)同研制模式下標(biāo)準(zhǔn)化工作的應(yīng)變措施

從技術(shù)角度分析，傳統(tǒng)的產(chǎn)品研發(fā)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范更多是從制度上要求研發(fā)人員去遵守、執(zhí)行，而數(shù)字化協(xié)同模式下的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范力圖從客觀條件上杜絕或減少違反標(biāo)準(zhǔn)化要求的可能性。前者依賴于標(biāo)準(zhǔn)化部門宣貫、設(shè)計(jì)人員自覺性，標(biāo)準(zhǔn)化審查工作費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，往往事倍功半；后者依靠計(jì)算機(jī)技術(shù)，將設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、業(yè)務(wù)流程盡可能地通過軟件編程定制在數(shù)字化設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)中，形成設(shè)計(jì)過程中的剛性要求，使得設(shè)計(jì)人員與標(biāo)準(zhǔn)檢查人員的工作量大大降低，而效率卻大幅提升。

只有建立剛性的設(shè)計(jì)知識(shí)應(yīng)用管理系統(tǒng)、統(tǒng)一的共享資源管理系統(tǒng)，才能保證產(chǎn)品研發(fā)過程中產(chǎn)品數(shù)據(jù)的唯一性。在數(shù)字化協(xié)同研制模式下的標(biāo)準(zhǔn)化工作的革新主要體現(xiàn)為兩部分工作：一是將具有繼承性的現(xiàn)有工程標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范數(shù)字化；二是創(chuàng)建全新標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范：

（1）現(xiàn)有標(biāo)規(guī)范改造：根據(jù)質(zhì)量體系文件及標(biāo)準(zhǔn)文件要求，創(chuàng)建、完善滿足數(shù)字化研制模式要求的機(jī)械產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)件庫、通用件、電子電器元件庫、工藝庫、材料庫以及與產(chǎn)品設(shè)計(jì)相關(guān)的文檔模板庫；對(duì)現(xiàn)有的坦克裝甲車輛研制規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)字化改造，從三維模型的設(shè)計(jì)原型、設(shè)計(jì)方法、材料選擇、加工工藝設(shè)計(jì)到各種不同類型零件三維模型設(shè)計(jì)、電子產(chǎn)品仿真設(shè)計(jì)等等進(jìn)行明確規(guī)定，設(shè)計(jì)人員按照統(tǒng)一的要求進(jìn)行三維模型設(shè)計(jì)、電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)，將極大提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，減少設(shè)計(jì)的更改和返工。

（2）創(chuàng)建新標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范：基于PDM、CAD系統(tǒng)進(jìn)行多單位協(xié)同研發(fā)的特點(diǎn)，在制定相應(yīng)的CAD及PDM應(yīng)用規(guī)范、實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一設(shè)計(jì)環(huán)境的同時(shí)，創(chuàng)建PDM、數(shù)字化項(xiàng)目管理、SDM、TDM、情報(bào)檔案管理等系統(tǒng)應(yīng)用與集成規(guī)范，定義異地異構(gòu)數(shù)據(jù)共享格式及標(biāo)準(zhǔn)，保證數(shù)據(jù)流暢通，最大限度地整合與充分共享資源、保證協(xié)同研制流程有效運(yùn)行。

3　型號(hào)研制需求導(dǎo)向的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)有效實(shí)踐

研究所以型號(hào)需求為牽引，強(qiáng)化產(chǎn)品研制標(biāo)準(zhǔn)的創(chuàng)建與推廣工作。2009年，在某型號(hào)研制設(shè)計(jì)師系統(tǒng)成立了數(shù)字化專項(xiàng)組，數(shù)字化專項(xiàng)組與標(biāo)準(zhǔn)化專項(xiàng)組緊密合作，卓有成效地開展數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)探索、建設(shè)、應(yīng)用工作：

（1）演示驗(yàn)證階段：以研究所內(nèi)部推廣三維自頂向下協(xié)同設(shè)計(jì)方法為主要目的，以PDM系統(tǒng)作為唯一有效設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、發(fā)放平臺(tái)，數(shù)字化定義技術(shù)文件、設(shè)計(jì)圖樣電子審簽流程；根據(jù)質(zhì)量體系文件標(biāo)準(zhǔn)化要求，創(chuàng)建了十二大類近二百小類技術(shù)文檔模板，包括：項(xiàng)目管理、綜合文件、技術(shù)管理、質(zhì)量管理、技術(shù)文件、RMST文件、軟件文件、試驗(yàn)文件、圖樣文件、隨圖文件、工藝文件、其他文件；收集整理型號(hào)研制所用標(biāo)準(zhǔn)件信息，建立了包括規(guī)格型號(hào)信息、三維模型的標(biāo)準(zhǔn)件庫。

（2）初樣車階段：在調(diào)研軟件功能、業(yè)務(wù)流程基礎(chǔ)上，針對(duì)基于PDM系統(tǒng)的三維協(xié)同設(shè)計(jì)、機(jī)電一體化設(shè)計(jì)要求，完成PDM系統(tǒng)、電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)平臺(tái)的客制化工作，創(chuàng)建了骨架模型、與三維關(guān)聯(lián)的二維程圖、電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖樣的電子協(xié)同審簽流程；在電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)軟件Altium Designer平臺(tái)上開發(fā)定制符合標(biāo)準(zhǔn)格式的輸出，包括：元器件清單、原理圖、原理圖SCH文件、印制板PCB文件；建立了電子元器件優(yōu)選庫，元器件信息包括原理圖符號(hào)、PCB封裝，設(shè)計(jì)人員可以直接施拉式選用；初步創(chuàng)建研究所如下電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范：《元器件命名規(guī)范》、《PCB封裝命名規(guī)范》、《PCB封裝模型建立規(guī)范》、《原理圖符號(hào)模型建立規(guī)范》、《EDA數(shù)據(jù)建立標(biāo)準(zhǔn)流程》、《EDA數(shù)據(jù)庫管理辦法》、《EDA數(shù)據(jù)庫建立檢查標(biāo)準(zhǔn)》、《EDA數(shù)據(jù)庫使用方法》。

（3）正樣車階段：為解決型號(hào)參研多廠所之間的協(xié)同問題、全面推廣前期的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字化成果、提升總體設(shè)計(jì)水平，制定并發(fā)布實(shí)施了一系列型號(hào)研制標(biāo)準(zhǔn)，共計(jì)32項(xiàng)。其中《產(chǎn)品研制數(shù)據(jù)交換的規(guī)定》通過近五年的努力，研究所的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字化工作取得了較大進(jìn)展，在某型號(hào)研制過程中發(fā)揮了重用支撐作用：產(chǎn)品數(shù)據(jù)及時(shí)檢入PDM系統(tǒng)，準(zhǔn)確標(biāo)識(shí)研制階段、版本等技術(shù)狀態(tài)，產(chǎn)品數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)階段、工程變更、統(tǒng)一打印都在PDM系統(tǒng)中得以實(shí)現(xiàn)，所有數(shù)據(jù)都能夠在PDM系統(tǒng)中進(jìn)行電子審簽，強(qiáng)化了產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量控制與管理；不同地域的各參研單位采用相同的設(shè)計(jì)軟件，產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)共享、模型預(yù)裝配檢查糾錯(cuò)得以實(shí)現(xiàn)，協(xié)同研制模式提高了研制效率。

對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)所需軟件的型號(hào)與版本、產(chǎn)品數(shù)據(jù)的內(nèi)容與格式進(jìn)行了統(tǒng)一定義；《PDM系統(tǒng)應(yīng)用規(guī)范》要求各承研單位實(shí)現(xiàn)內(nèi)部的數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)，并與其他承研單位實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)與設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)與制造的并行；《產(chǎn)品設(shè)計(jì)變更管理規(guī)范》要求型號(hào)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、試驗(yàn)等過程中產(chǎn)生設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)更改必須在PDM系統(tǒng)中按規(guī)定流程，完成產(chǎn)品數(shù)據(jù)修改工作，形成閉環(huán)，保證圖物一致；《自頂向下協(xié)同設(shè)計(jì)規(guī)范》、《產(chǎn)品機(jī)電一體化設(shè)計(jì)規(guī)范》、《產(chǎn)品研制圖紙統(tǒng)一管理規(guī)范》等數(shù)字化設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范為設(shè)計(jì)人員提供了具有指導(dǎo)作用、可行性強(qiáng)的操作流程。

4　結(jié)束語

本文討論了數(shù)字化協(xié)同研制環(huán)境下產(chǎn)品設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的變革內(nèi)涵，提出了新型標(biāo)準(zhǔn)化工作的應(yīng)變措施，通過某型號(hào)研制的實(shí)際工作分析、總結(jié)，說明了設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字化創(chuàng)新管理的必要性、可行性及重要意義。

Research and Practice of Product Design Standard Digital Method

WANG Pei-Zhang，JIANG Ya-Ping，XU Ping
（China North Vehicle Research Institute，BeiJing 100072，China）

This article discusses the change of product design standard under the digital collaborative development environment，and new standardization strain measures are put forward to explore a new method for carrying out the design standard.Through the analysis of the actual work a military product development model，the summary，illustrates the design standard of digital innovation management the necessity，feasibility and important significance.

product design standards；top down design；PDM system；concurrent and collaborative

TB47

Adoi：10.3969/j.issn.1002-6673.2015.05.025

1002-6673（2015）05-066-03

2015-06-08

王佩章，男，大學(xué)本科，副研究員。主要從事工程信息數(shù)字化方面的推廣和研究工作。